自動(dòng)化元件-02直流電機(jī)1

自動(dòng)化元件第二章直流電機(jī)

工作原理和結(jié)構(gòu)基本理論

運(yùn)行特性起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)第一節(jié)工作原理和結(jié)構(gòu)一.直流電機(jī)概述電機(jī)的主要類型之一。發(fā)電機(jī)：獲得直流電源。電動(dòng)機(jī)：提供動(dòng)力。作為信號(hào)傳遞使用，如測(cè)速電機(jī)等。調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑；過(guò)載能力較強(qiáng)，起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。由于存在換向器，其制造復(fù)雜，成本較高。

作為拖動(dòng)，用于軋鋼機(jī)、無(wú)軌機(jī)車、龍門(mén)刨床等調(diào)速寬的地方。二.直流電動(dòng)機(jī)基本工作原理轉(zhuǎn)矩形成的條件：同性磁極下電流相同，異性（相鄰）磁極下電流相反。轉(zhuǎn)矩方向恒定的條件：每個(gè)磁極下導(dǎo)體的電流方向應(yīng)保持不變。換向器和電刷配合的結(jié)果三.直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機(jī)座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸軸承氣隙主磁極建立主磁場(chǎng)，鐵心采用低碳鋼板沖壓疊裝固定而成。個(gè)數(shù)為偶數(shù)，勵(lì)磁繞組的連接使相鄰主磁極的極性按N，S極交替出現(xiàn)。機(jī)座作為主磁極的一部分以及電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。機(jī)座中作為磁通通路的部分稱為磁軛。機(jī)座兩端裝有端蓋，通過(guò)軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。換向極改善電機(jī)的換向時(shí)產(chǎn)生的火花。個(gè)數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等。繞組一般和電樞繞組串聯(lián)。電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，由電刷，刷握，刷桿和連線等組成。以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時(shí)與換向器表面形成滑動(dòng)接觸。每一刷桿上的一排電刷組成一個(gè)電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。電樞鐵心是主磁路的組成部分，電樞繞組嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.5mm且沖有齒、槽硅鋼片疊壓夾緊而成。小型電機(jī)的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機(jī)的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈（繞組元件）按一定的規(guī)律連接組成，每個(gè)元件兩個(gè)有效邊分別嵌放在電樞鐵芯表面的槽內(nèi)，元件的兩個(gè)出線端分別與兩個(gè)換向片相連。電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。換向器由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電，或?qū)⑺㈤g的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。四.直流電機(jī)額定值

額定值（銘牌值）:根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的正常運(yùn)行狀況稱為額定運(yùn)行狀態(tài)。額定運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性、安全性等總體上會(huì)處于最佳狀態(tài)。額定功率PN（W，kW）額定電壓UN（V，kV）額定電流IN（A，kA）額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）額定勵(lì)磁電壓UfN（V，kV）額定狀態(tài)下電機(jī)的輸出功率發(fā)電機(jī)：PN=UNIN（電功率）電動(dòng)機(jī)：PN=UNINηN（機(jī)械功率）作用旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。構(gòu)成原則在一定的導(dǎo)體數(shù)下，能夠產(chǎn)生盡可能大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，承擔(dān)足夠大的電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率；在承擔(dān)一定的電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率情況下，導(dǎo)體數(shù)盡可能少；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)、檢修。五.直流電機(jī)電樞繞組直流電樞繞組的分類單疊繞組復(fù)疊繞組單波繞組復(fù)波繞組蛙繞組波繞組疊繞組混合繞組電樞繞組基本概念：元件指兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈。元件邊、端接、上元件邊、下元件邊電樞繞組的特點(diǎn)常用槽數(shù)Z、元件數(shù)S、換向片K數(shù)及各種節(jié)距來(lái)表征。

槽數(shù)=元件數(shù)=換向片，故有S=K=Z極距

τ：每個(gè)主磁極在電樞表面占據(jù)的距離或相鄰兩主極間的距離。

設(shè)電機(jī)的極對(duì)數(shù)為p,電樞外徑為D，則τ

=πD

/2p

(弧長(zhǎng))或τ=Z

/2p(槽數(shù))第一節(jié)距y1----一般y1

=Z

/2p

=整數(shù)

y1=

τ稱為整距元件；y1＞τ為長(zhǎng)距；y1＜τ為短距第二節(jié)距

y2

：與同一片換向片相聯(lián)的兩個(gè)元件中的第一個(gè)元件的下元件邊到第二個(gè)元件的上元件邊的跨距。合成節(jié)距

y

：相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊在電樞表面的跨距。用槽數(shù)表示就是y=y1-y2換向器節(jié)距

yK----同一元件的首端和尾端在換向器上所跨的換向片數(shù)。數(shù)值上與合成節(jié)距相等。即y=

yK單疊繞組：任何兩個(gè)串聯(lián)元件都是后一個(gè)元件總是緊接著前一個(gè)元件嵌放，每串完一個(gè)元件在電樞表面移動(dòng)一個(gè)槽。y=yK=±1。例：已知電機(jī)極數(shù)2p=4，且Z=S=K=16。繞制單疊右行整距繞組。節(jié)距計(jì)算單疊右行y=yK=1整距y1=Z/2p=16/4=4第二節(jié)距y2=y1-y=3單疊繞組的展開(kāi)圖：假設(shè)把電樞從某一齒中心沿軸向切開(kāi)并展開(kāi)成一帶狀平面，展示元件相互間的電氣連接關(guān)系及主磁極、換向片、電刷間的相對(duì)位置關(guān)系。上元件邊用實(shí)線表示，下元件邊用虛線表示；磁極在繞組上方均勻安放，N極指向紙面，S極穿出紙面；左上方箭頭為電樞旋轉(zhuǎn)方向，元件邊上的箭頭為由右手定則確定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向。繞組電路與電刷安放全部元件串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，元件1、5、9、13在幾何中心線，感應(yīng)電勢(shì)為0，將繞組分成4段。由于對(duì)稱，這四段電路中的電動(dòng)勢(shì)大小相等，方向兩兩相反，因此整個(gè)閉合回路內(nèi)的電動(dòng)勢(shì)恰好相互抵消，故電樞繞組內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。在4個(gè)元件所連接的換向片間的中心線上依次放置電刷A1、B1、A2、B2，并且空間位置固定，則不管電樞和換向器轉(zhuǎn)到什么位置，電刷A1、A2的電位恒為正，電刷B1、B2的電位恒為負(fù)。正、負(fù)電刷是電樞繞組支路的并聯(lián)點(diǎn)，二者之間的電動(dòng)勢(shì)有最大值。每個(gè)元件用一個(gè)線圈表示，并用箭頭表示元件的電動(dòng)勢(shì)方向電刷將閉合的電樞繞組分為若干條并聯(lián)支路；當(dāng)電樞繞組旋轉(zhuǎn)時(shí)，每條支路的電動(dòng)勢(shì)不變；單疊繞組每個(gè)主磁極下元件串成一條支路，并聯(lián)支路對(duì)數(shù)等于磁極對(duì)數(shù)，也等于電刷組數(shù)。單疊繞組輸出電動(dòng)勢(shì)等于一條支路電動(dòng)勢(shì)，輸出電流等于各支路電流的總和；當(dāng)元件端接線對(duì)稱時(shí)，電刷的軸線正好位于主極中心線下。一.直流電機(jī)空載磁場(chǎng)空載磁場(chǎng)：主磁極勵(lì)磁繞組流過(guò)勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，主磁極的磁動(dòng)勢(shì)為，式中

是勵(lì)磁繞組的匝數(shù)，是直流勵(lì)磁電流。主磁通Φ0：交鏈勵(lì)磁繞組和電樞繞組，在電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。漏磁通Φσ：不進(jìn)入電樞鐵心，不和電樞繞組交鏈，因此不感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。它只是增加主磁極磁路的飽和程度第二節(jié)直流電機(jī)的基本理論主磁路主磁極1－氣隙1－電樞齒1－電樞軛－電樞齒2－氣隙2－主磁極2－定子軛--主磁極1磁化曲線磁化曲線是指電機(jī)的主磁通與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)或勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線。氣隙磁通密度沿電樞周圍分布忽略電樞齒槽影響，假定電樞表明光滑，略去鐵心磁壓降，認(rèn)為全部磁動(dòng)勢(shì)都在氣隙上，這樣每段氣隙磁壓降處處相等。電樞圓周表面各處與氣隙長(zhǎng)度成反比。定義為氣隙磁通密度平均值，與每極磁通關(guān)系為二.直流電機(jī)電樞磁場(chǎng)及電樞反應(yīng)電樞磁場(chǎng)：當(dāng)電機(jī)有負(fù)載、電樞繞組中有電流通過(guò)(即Ia≠0)時(shí)，該電流也會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，稱之為電樞磁場(chǎng)。電樞反應(yīng)：電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主磁極所建立的氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。不僅與電樞電流大小有關(guān)，還受電刷位置影響。電刷放在幾何中性線上。電樞磁勢(shì)的軸線總是與和電刷接觸的導(dǎo)體的連線重合（幾何中心線）。電刷位于幾何中心線時(shí)電樞磁場(chǎng)電樞磁場(chǎng)由右手螺旋法則示意。與主極軸正交，因此稱為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。電樞表面單位長(zhǎng)度上的安培導(dǎo)體數(shù)稱為電機(jī)的線負(fù)荷A,A=Nia/(πDa)。忽略鐵心磁阻，x處閉路上的總磁動(dòng)勢(shì)2Fax=A*2x，則每個(gè)氣隙消耗的磁勢(shì)為Fax=Ax氣隙磁通密度在空間分布為：Bax=μ0Fax/δ一個(gè)周期的磁密波形呈馬鞍形。電樞磁場(chǎng)磁通密度主磁場(chǎng)的磁通密度疊加氣隙磁通密度磁路不飽和，磁密與磁動(dòng)勢(shì)成正比。合成磁密等于主磁密和電樞磁密的直接相加。電刷位于幾何中心線時(shí)電樞反應(yīng)磁路飽和，磁阻隨磁密增加而增加疊加氣隙磁通密度（1）氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變

（2）對(duì)主磁場(chǎng)呈去磁作用

磁路不飽和時(shí)，主磁場(chǎng)被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，每極磁通量不變。磁路飽和時(shí)，磁通加強(qiáng)的數(shù)量小于消弱的數(shù)量，呈去磁作用。每個(gè)磁極下，氣隙磁場(chǎng)一半被增強(qiáng)，一半被削弱，氣隙磁密分布畸變成尖頂波。電刷位于幾何中心線時(shí)電樞反應(yīng)

（3）物理中線偏離幾何中線一個(gè)角度

對(duì)電動(dòng)機(jī)，逆電樞轉(zhuǎn)動(dòng)方向偏移角。電刷位于幾何中心線時(shí)電樞反應(yīng)直流電機(jī)的元件經(jīng)過(guò)電刷，從一條支路進(jìn)入另一條支路時(shí),元件里的電流改變方向。換向的過(guò)程即元件被電刷短路的過(guò)程。換向不好會(huì)使電刷產(chǎn)生火花，火花嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行三.直流電機(jī)的換向單疊繞組1號(hào)元件的換向過(guò)程，電刷寬度與換向片寬度相等，電樞以va的速度從右向左旋轉(zhuǎn)。換向元件中的電流變化

（1）自感電動(dòng)勢(shì)（2）互感電動(dòng)勢(shì)

（3）電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與都反對(duì)換向元件電流變化，換向電流不隨時(shí)間線性變化，比直線換向慢，延遲換向。采取措施產(chǎn)生，使為0，形成直線換向。如作用大于，產(chǎn)生超越換向。換向元件中的電動(dòng)勢(shì)二者之和稱為電抗電動(dòng)勢(shì)，反對(duì)元件的電流變化。改善換向的方法（1）加換向磁極放于幾何中心線處，換向繞組與電樞繞組串聯(lián)，換向磁極的極性與電樞磁場(chǎng)極性相反。（2）移刷改善換向直流電動(dòng)機(jī)電刷從幾何中心線逆轉(zhuǎn)角，使，換向元件切割主磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，抵消電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電抗電動(dòng)勢(shì)。

四.直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí),電樞繞組切割氣隙磁通產(chǎn)生的刷間電動(dòng)勢(shì)。等于電樞繞組里每條并聯(lián)支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?？倢?dǎo)體數(shù)為N，并聯(lián)支路數(shù)為2a，每根導(dǎo)體平均電動(dòng)勢(shì)為，則支路刷間電動(dòng)勢(shì)為：導(dǎo)體平均電動(dòng)勢(shì)為：其中線速度用轉(zhuǎn)速（r/